Della costruzione originale non rimane praticamente nulla. L'attuale edificio, infatti, è il risultato di notevoli trasformazioni architettoniche operate nel corso del tempo, in particolare tra la seconda metà del secolo XIX e la prima metà del secolo XX. La facciata della basilica, ricomposta in stile neoromanico, è della tipologia a salienti, con falde decorate da archetti pensili sotto i cornicioni e tre lesene in corrispondenza delle tre navate. I tre portali sono arricchiti da lunette a tutto sesto musive. Nella lunetta centrale è raffigurato, su sfondo dorato, Cristo benedicente con il libro dei Vangeli. Il portale centrale è sormontato da una grande trifora con capitelli scolpiti; sopra di essa, una finestra a forma di croce greca e due monofore a tutto sesto.

L'interno della basilica, il cui assetto è da ricondurre ai restauri successivi al 1926, è costituito da tre navate separate da pilastri con semicolonne, sormontate da volte a crociera (navata centrale) e volte a botte (navate laterali). Tra la navata centrale e il presbiterio si eleva il tiburio ottagonale.

Di notevole valore artistico sono i capitelli originali del secolo XI, che presentano forti somiglianze con quelli della basilica di Sant'Ambrogio. L'affresco del catino absidale, raffigurante San Babila ed i tre fanciulli con lui martirizzati, fu realizzato nel 1890 da Luigi Cavenaghi. Le lunette fra gli archi laterali e la cupola, decorate con le figure del Redentore e della Vergine circondati da vari Santi, sono invece mosaici sovrapposti nel 1929 agli affreschi originali del medesimo autore.

Nella cappella laterale destra, edificata nel 1500 per la custodia del Santissimo Sacramento, è attualmente conservata una pala d'altare raffigurante San Francesco d'Assisi, opera della fine dell'Ottocento di Giuseppe Bertini.

La cappella laterale sinistra, simmetrica alla precedente, risale ai primi decenni del Seicento e conserva una pala d'altare raffigurante San Giuseppe, opera di Ludovico Pogliaghi, celebre autore della porta maggiore del Duomo di Milano. La seconda cappella laterale sinistra, ricostruita nel 1951, custodisce la pala d'altare dell'Addolorata, opera del pittore Augusto Colombo.